電渦流傳感器線性測量技術(shù)

電渦流傳感器線性測量技術(shù)

在機械振動技術(shù)的研究和連續(xù)監(jiān)控中，非接觸測量技術(shù)通常被用來研究。所使用的傳感器主要是電傳感器、電容式和電流式。電渦流傳感器具有非接觸、環(huán)境適應(yīng)性強、線性范圍大、靈敏度高、能測量多種參數(shù)等優(yōu)點,近年來在國內(nèi)外獲得了迅速發(fā)展。對于測量以位移為基本量的傳感器,一般希望有大的線性范圍和高的靈敏度,而兩者要同時達到往往是比較困難的,在設(shè)計傳感器時應(yīng)根據(jù)線圈參數(shù)與傳感器性能的關(guān)系及測量要求來滿足其主要的性能。因此得到線圈參數(shù)與傳感器性能的關(guān)系極其重要。文獻僅給出了扁平線圈參數(shù)變化對傳感器性能的影響,本文從改變線圈截面形狀入手,研究了線圈截面形狀及參數(shù)變化對傳感器線性測量范圍和靈敏度的影響,從而對傳感器的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。1電流傳感器的工作原理和性能1.1交變磁場與政府運行的電渦流特性電渦流傳感器是一只固定于框架上的線圈(見圖1),它與一個電容并聯(lián),構(gòu)成并聯(lián)諧振回路。在沒有測量體時,把該回路調(diào)諧至某一頻率(例如1MHz)。圖1中,當被測導體靠近傳感器時,由于傳感器線圈中所載高頻信號的激勵,產(chǎn)生一高頻交變磁場φi,根據(jù)電磁感應(yīng)定律在被測導體的表面附近產(chǎn)生了與交變磁場相交連的電渦流,此電渦流又將產(chǎn)生一磁場φe反作用于φi,而φe和φi間存在一定相位差Δφ,通帶0<Δφ<π/2,故從平均值看,Δφ總是抵抗φi的存在。由于被測體表面附近電渦流的產(chǎn)生,在被測到體內(nèi)存在著電渦流的損耗和磁損耗。能量的損耗使傳感器的Q值、等效電感L值及等效阻抗Z等發(fā)生變化,這樣就將被測導體的位移量轉(zhuǎn)換為Q值、等效電感L值及等效阻抗Z的變化,這就是電渦流傳感器的基本原理。1.2等效電阻測量電路當被測導體與傳感器靠近時,傳感器的等效Q值、等效電感L值及等效阻抗Z值發(fā)生變化的電原理如圖2所示。圖中左側(cè)回路為傳感器線圈,右側(cè)回路為被測導體中電渦流等效電路。由圖2可列出方程式[r1+jωL1-jωΜ-jωΜr2+jωL2]?[˙Ι1˙Ι2]=[˙U0]。(1)由式(1)可對被測體引入時的等效阻抗Z為˙Ζ=[r1+ω2Μ2r22+(ωL2)2r2]+j[ωL1+ω2Μ2r22+(ωL2)2ωL2](2)等效電感為L=L1(μ)-ω2Μ2r22+(ωL2)2L2(3)式中:L1(μ)為不計渦流效應(yīng)僅考慮磁學效應(yīng)時傳感器的電感量;L2為電渦流等效電路的等效電感;r2為電渦流等效電路的等效電阻;ω為線圈激磁電流的角頻率;M為線圈與渦流環(huán)間的等效互感。式(2)和式(3)分別為電渦流傳感器阻抗測量法及電感測量法的理論依據(jù)。當配用相應(yīng)的測量電路時,可將Z(d),L(d)等特性轉(zhuǎn)為V與d間的特性曲線,從而完成非電量電測。電渦流傳感器的非線性是本質(zhì)的,傳感頭的靈敏度及線性范圍不僅與激磁頻率ω、被測導體的電導率σ、磁導率μ及線圈的匝數(shù)有關(guān),而且還與線圈的幾何尺寸有關(guān)。本文研究了扁平線圈及梯形線圈的幾何形狀及參數(shù)變化對傳感器線性測量范圍和靈敏度的影響,為傳感器的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。2線圈參數(shù)對傳感器的性能影響2.1固定高度網(wǎng)b載流三角形線圈上的磁場根據(jù)畢奧沙伐拉普斯定律,單匝載流圓導線在軸上的磁感應(yīng)強度為Bp=μ0Ι2?r2(x2+r2)3/2(4)式中:r為載流線圈半徑;x為軸向距離。設(shè)線圈形狀為梯形,其幾何形狀尺寸如圖3所示。該線圈所產(chǎn)生的磁場可以認為由相應(yīng)的圓電流的磁場疊加而成。設(shè)線圈共有N匝,當通以電流I時,電流密度為Δi=2ΝΙ(Rb-Ra)(d1+d2),通過截面為dxdy出的圓形電流元為i=2ΝΙ(Rb-Ra)(d1+d2)dx?dy,此處圓形電流元在P點所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度為dB=μ0i2?y2(x2+y2)3/2=μ0ΝΙ(Rb-Ra)(d1+d2)?y2(x2+y2)3/2dx?dy?(5)載流梯形線圈軸線上的磁場為Bp=∫dB=μ0ΝΙ(Rb-Ra)(d1+d2)?∫RbRay2dy?∫R1(y-Ra)+x1+C2x11(x2+y2)3/2dx=R{R1a(√aR2b+bRb+c-√aR2a+bRa+c)+bR12√a3Ιn|2aRa+b+2√a√aR2a+bRa+c2aRb+b+2√a√aR2b+bRb+c|+x1+d2-R1Ra√aΙn|2aRb+b+2√a√aR2b+bRb+c2aRa+b+2√a√aR2a+bRa+c|-x1Ιn|Rb+√R2b+x21Ra+√R2a+x21|}(6)式中:R=μ0ΝΙ(Rb-Ra)(d1+d2);R1=d1-d2Rb-Ra;a=R21+1;b=2R1(x1+d2)-2R21Ra;c=R21R2a-2R1Ra(x1+d2)+(x1+d2)2;x1即為線圈端面到被測體間的距離x。則式(6)即為Bp=R{R1a(√aR2b+bRb+c-√aR2a+bRa+c)+bR12√a3Ιn|2aRa+b+2√a√aR2a+bRa+c2aRb+b+2√a√aR2b+bRb+c|+x+d2-R1Ra√aΙn|2aRb+b+2√a√aR2b+bRb+c2aRa+b+2√a√aR2a+bRa+c|-xΙn|Rb+√R2b+x2Ra+√R2a+x2|}(7)式(7)即為梯形線圈磁感應(yīng)強度與軸向距離的關(guān)系式。同樣可得矩形線圈磁感應(yīng)強度與軸向距離的關(guān)系式為Bp=μ0ΝΙ2(Rb-Ra)d{(x+c)Ιn|Rb+√R2b+(x+c)2Ra+√R2a+(x+c)2|-xΙn|Rb+√R2b+x2Ra+√R2a+x2|}(8)2.2兩種圈截面為矩形的傳感器取表1所列5組不同參數(shù)線圈,用式(7)和式(8)分別進行計算并畫出它們的Bp-x曲線,仿真結(jié)果如圖4所示。從仿真結(jié)果可以看出:在截面積相同的情況下,同線圈截面為矩形的傳感器相比較,用梯形線圈(d1<d2)可提高傳感器的靈敏度,但線性測量范圍有所降低;用倒梯形線圈(d1>d2)可擴大傳感器的線性測量范圍,但靈敏度有所降低(如圖4a所示)。又從圖4b,4c可看出梯形線圈同參數(shù)分別取d1,d2的矩形線圈相比較,性能沒有根本改善,而倒梯形線圈同樣比參數(shù)分別取d1,d2的矩形線圈線性測量范圍提高,綜上所述,倒梯形線圈在提高線性測量范圍這方面比矩形線圈優(yōu)越,而提高線性測量范圍在實用中具有重要的價值。3仿真結(jié)果與分析本文著重研究了線圈截面形狀變化對傳感器線性測量范圍和靈敏度的影響,得到了線圈截面形狀與傳感器線性測量范圍和靈敏度的定性關(guān)系,仿真結(jié)果表明采用倒梯